VR技術(shù)的應(yīng)用

文/張重 宿小陽

VR技術(shù)的應(yīng)用

文/張重 宿小陽

VR（虛擬現(xiàn)實）是近年CES（消費(fèi)電子展）最受關(guān)注的話題之一。市面上VR產(chǎn)品眾多，其中HTC Vive是目前最高端的VR頭戴式顯示器（簡稱：頭顯，Head Mounted Display）。筆者記錄了首次使用Vive的基本流程和所作的準(zhǔn)備工作，精心挑選了VR在游戲、旅行、設(shè)計、醫(yī)療、視頻、教育（培訓(xùn)）等各個不同領(lǐng)域中，最有代表性的多個應(yīng)用（app），在切實感受VR帶來的震撼體驗之余，詳細(xì)分析了配合Vive使用的多個應(yīng)用的特點(diǎn)，深入總結(jié)了Vive頭顯目前存在的問題。通過觀察VR在教育領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)狀，思考了VR在教育（培訓(xùn)）領(lǐng)域發(fā)展的未來。

VR HTC Vive 首次體驗

VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實）是2016年度消費(fèi)類電子產(chǎn)品行業(yè)最火的關(guān)鍵詞之一，VR業(yè)內(nèi)也將2016年公認(rèn)為VR元年。這一年，VR從年初火爆的媒體宣傳到年中各大廠商旗艦產(chǎn)品紛紛上市，再到年末風(fēng)投熱潮過后逐漸平靜的資本市場轉(zhuǎn)向追求內(nèi)容為王，消費(fèi)者仿佛過山車一樣體會到了VR前所未有的爆發(fā)和沖擊。

1 VR是什么

虛擬現(xiàn)實，英語為virtual reality，縮寫為VR，簡稱虛擬技術(shù)，也稱為虛擬環(huán)境，是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，提供用戶關(guān)于視覺等感官的模擬，讓用戶感覺仿佛身歷其境，可以及時、沒有限制地觀察三維空間內(nèi)的事物。用戶進(jìn)行位置移動時，電腦可以立即進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，將精確的三維世界視頻傳回顯示設(shè)備，以此產(chǎn)生臨場感。

簡單說，VR通過由計算機(jī)模擬視覺、觸覺、聽覺的交互設(shè)備讓人在虛擬場景中產(chǎn)生沉浸感，仿佛置身于真實環(huán)境一樣。

VR在上世紀(jì)90年代，就已經(jīng)有了成型產(chǎn)品，比如軍用領(lǐng)域的作戰(zhàn)訓(xùn)練、飛機(jī)研發(fā)和飛行員訓(xùn)練、汽車研發(fā)中的虛擬樣車。只不過價格高昂，沒有民用普及。而近年來火爆的VR是實用的民用VR技術(shù)，只有帶頭部追蹤功能的頭戴式顯示器，只能有限的模擬視覺感官。但是其價格降低到了普通消費(fèi)者也可以接受的水平，由此產(chǎn)生了一系列的市場反應(yīng)。

2 VR的主要產(chǎn)品

目前，VR在移動端的代表產(chǎn)品有Google Cardboard，Samsung Gear VR。針對PC端的代表產(chǎn)品有Oculus Rift，HTC Vive。針對游戲主機(jī)的代表產(chǎn)品有PSVR。

移動端的產(chǎn)品又可分為插片式和一體機(jī)，前者需要在VR設(shè)備上插入手機(jī)作為顯示設(shè)備，后者相當(dāng)于把手機(jī)和VR設(shè)備整合在一起，成為頭戴式顯示設(shè)備。針對移動端開發(fā)VR設(shè)備的廠商眾多，產(chǎn)品參差不齊。

3 HTCVive的真實體驗

HTC Vive是目前最貴的VR設(shè)備。英文vive/vi:v/本意是萬歲，不過在HTC的新品發(fā)布會上，V大寫之后，Vive發(fā)音為 /vaiv/，是HTC與 Valve（注：目前最大的電子游戲制造商）合作推出的虛擬現(xiàn)實顯示設(shè)備，也是目前市面上最高端的頭顯。突出的優(yōu)點(diǎn)是支持房間內(nèi)的精準(zhǔn)動作捕捉。優(yōu)勢在于Valve旗下Steam游戲平臺（注：目前全球用戶量最多的電子游戲平臺）上有HTC Vive可以享用的豐富內(nèi)容。

3.1 HTC Vive的基本配置

如圖1所示，HTC Vive標(biāo)準(zhǔn)消費(fèi)者版本中包含一個內(nèi)置前置攝像頭及Vive電話服務(wù)的VR頭顯，兩個無線VR控制手柄，整套空間定位傳感裝置（兩個定位器），特別為預(yù)訂用戶限時免費(fèi)提供的三款VR應(yīng)用。

圖1：HTC Vive

Vive頭顯的左右眼分別為一塊1200×1080的AMOLED屏幕，加在一起雙眼分辨率為2160×1200。最低幀率為90FPS，視場為110°。兼容大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的眼鏡，自帶可調(diào)節(jié)頭帶和兩個可選面部襯墊，可調(diào)節(jié)瞳距和目視間隙。

Vive頭顯裝有32個定位感應(yīng)器，一個前置攝像頭。為了讓體驗不中斷，Vive內(nèi)置的Chaperone 系統(tǒng)在玩家接近游戲區(qū)邊緣時會顯示網(wǎng)格線，提醒玩家到達(dá)虛擬空間邊界。也可以通過前置攝像鏡頭在虛擬世界里疊加看到現(xiàn)實中的物理物體。這樣，玩家沉浸在虛擬現(xiàn)實中時，不摘掉頭顯，也可以同時看到真實世界的情況。

2個定位器覆蓋360°，支持在對角線長度至多5米的長方形區(qū)域里進(jìn)行精密動作捕捉，比如3.5米×3.5米的空間。

2個可充電的無線控制器，即游戲手柄，各有24個定位感應(yīng)器，提供了360°厘米級的精密動作捕捉。內(nèi)置可充電的960毫安時鋰離子電池，搭載了二段式板機(jī)、多功能觸摸板和高清觸感反饋。

圖2：HTC Vive游玩區(qū)play zone

圖3：The Blu

圖4：Google Tilt Brush

3.2 使用Vive的硬件準(zhǔn)備

Vive必須搭配電腦使用，對電腦配置要求很高，Vive官網(wǎng)給出的PC最低配置是：

GPU：與NVIDIA GeForce? GTX 970、AMD Radeon? R9 290 性能相同或更佳

CPU：與Intel? i5-4590、AMD FX 8350性能相同或更佳

RAM：4GB或更多

視頻輸出：HDMI 1.4、DisplayPort 1.2 或更高USB端口：1 個USB 2.0 端口或更佳端口操作系統(tǒng)：Windows 7 SP1、Windows 8.1或Windows 10

3.3 安裝基站，準(zhǔn)備游玩區(qū)

如圖2所示，游玩區(qū)既指玩家體驗Vive的真實空間，也指VR的虛擬邊界。玩家與虛擬現(xiàn)實物體的互動都將在游玩區(qū)中進(jìn)行。在游玩區(qū)里自由活動是Vive設(shè)計的初衷和特色，Vive也可用于靜止不動的站姿和坐姿體驗。

HTC Vive支持在對角線長度小于5米的空間內(nèi)進(jìn)行動作追蹤，最小空間不能小于2米乘1.5米。玩家如果想體驗運(yùn)動中的虛擬現(xiàn)實，就必須事先準(zhǔn)備出足夠大的真實空間。

兩個激光定位器需要固定于房間對角線的兩端，外接電源，使用無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果房間內(nèi)障礙物多，在兩個定位器間可以加裝同步傳輸線，保證動作捕捉的精準(zhǔn)度。

通過串流排連接頭顯與電腦，一共有3根線，視頻線HDMI，數(shù)據(jù)線USB及音頻線Audio。Vive也提供無線連接模塊，需要額外購買，Vive官網(wǎng)聲稱正式產(chǎn)品將于2017年第一季度上市。

支持力回饋的游戲手柄通過無線連接，需要充電后才能使用。

3.4 Vive軟件安裝和調(diào)試

硬件安裝完成后，聯(lián)網(wǎng)訪問Vive官網(wǎng)www.vive.com，在線安裝Vive及SteamVR軟件。

安裝過程中，需要先更新顯卡驅(qū)動到最新版本。

安裝完成的Vive軟件，相當(dāng)于是應(yīng)用程序商店，提供各種VR游戲下載。SteamVR是Vive設(shè)備的硬件管理軟件。用戶也可以訪問Valve旗下的steam網(wǎng)站，安裝Steam客戶端，下載更多VR游戲及相關(guān)資源。支持多種支付方式，其中包括大陸最時髦的支付寶和微信支付。

3.5 穿戴Vive

穿戴Vive頭顯前，需要事先測量用戶的瞳孔距（IPD），調(diào)節(jié)頭顯旋鈕，以保證兩眼看到正確的三維顯示結(jié)果。Vive可以調(diào)節(jié)頭帶松緊以保證穿戴舒適。平時戴眼鏡的用戶，戴著眼鏡也可以穿戴Vive頭顯，Vive也支持定制專門的Vive近視或遠(yuǎn)視鏡片。

在電腦上啟動安裝好的SteamVR，Vive或Steam，玩家就可以戴好Vive頭顯，進(jìn)入虛擬現(xiàn)實的世界了。

4 有意思的VR內(nèi)容

4.1 Vive自己的體驗教程

第一次使用VR的人，剛剛戴好頭顯，僅僅看到環(huán)繞四周的星空，就開始驚呼了。見到教自己使用手柄的機(jī)器人已經(jīng)嚇了一跳。原來VR真的這么真實。

4.2 The Blu，上市時間2016年4月，75RMB

如圖3所示，潛身深海，驀然回首，發(fā)現(xiàn)巨大藍(lán)鯨正回眸看你的瞬間，體驗者全身心感受到VR的震撼效果和巨大潛能?？梢哉fTheBlu是詮釋VR沉浸感的最佳應(yīng)用，沒有之一。

4.3 Nvidia VRFunhouse，上市時間2016年7月，免費(fèi)

在一個虛擬的嘉年華中，有7個小游戲。射擊，射箭，拳擊……任何一個都可以充分感受HTC Vive游戲手柄的交互功能。

必須使用NVidia（中文名稱：英偉達(dá)）顯卡，使用其他顯卡不能正常運(yùn)行。推薦使用GTXTi1080以上配置，可以充分利用NVidia高端VR顯卡來提升顯示性能，最大化圖像質(zhì)量。GPU多核心可以平行工作，一顆核心渲染左眼，一顆核心渲染右眼。實時渲染，著色加速。固體碰撞，流體影響，火焰，爆炸，煙霧，毛發(fā)等物理特效都可以做到最好。NVidia還提供了開發(fā)工具包，開放源代碼，幫助用戶自行開發(fā)。NVidia VR Funhouse為開發(fā)者提供了很好的開發(fā)樣板。

4.4 The Lab，上市時間2016年3月，免費(fèi)

The Lab是Valve公司開發(fā)的一系列VR示范游戲的合集。提供了多種不同的VR體驗享受，來探索虛擬現(xiàn)實的無限可能。

其中的Slingshot（打彈弓）和Longbow（射箭），是所有VR體驗館必備的游戲。

4.5 Tilt brush，上市日期2016年4月，88RMB

如圖4所示，Tilt Brush是Google公司推出的在虛擬現(xiàn)實里使用的三維繪畫軟件，是設(shè)計界目前最炫酷最時髦的應(yīng)用。能立體作畫，從各個角度看自己的畫作，給藝術(shù)家?guī)頍o法比擬的美好感受和全新的創(chuàng)作手段。

4.6 Fruit Ninja VR，上市日期2016年7月，48RMB

圖5：Engage

圖6：VR Class

Fruit Ninja（水果忍者）在觸屏?xí)r代剛剛開啟的時候，就風(fēng)靡全球，成為了最適合觸屏操作的游戲。進(jìn)入VR時代后，水果忍者用最直接最舒適的方式讓不同年齡不同水平的用戶都能體驗到真正的虛擬現(xiàn)實游戲，雙手持刀（游戲手柄），在3維虛擬世界里面切開環(huán)繞身體360度的水果，用刀背挑開炸彈時，手柄的力回饋，讓玩家深刻感受適合VR操作模式的游戲，是怎樣一種愉悅的體驗。

4.7 Everest VR，上市日期2016年8月，48RMB

Everest VR是旅行類應(yīng)用的標(biāo)桿。以第一人稱視角，用照片級真實場景，帶來登頂珠穆朗瑪?shù)挠H身體驗和絕無僅有的心靈震撼。包含5個場景：山腳營地，恐怖的Khumbu冰瀑，在4號營地過夜，驚險的Hillary天梯，成功登頂。還可以解鎖上帝視角，感受只有VR里才能體驗的喜馬拉雅。

4.8 The body VR: Journey inside a cell，上市日期2016年10月，免費(fèi)

The Body VR支持多種語言，有中文字幕和解說。伴隨著悅耳動聽的講解，玩家將縮小到和病毒一般大小，進(jìn)入人體內(nèi)部，從心臟開始，隨著血液的流動旅行，360度觀察血紅細(xì)胞如何工作，如何運(yùn)送氧氣到達(dá)全身的各個角落。親眼見證器官的運(yùn)行、血液的流動、細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，以及免疫系統(tǒng)和病毒的戰(zhàn)斗。一段10分鐘左右的親身感受，勝過任何枯燥的醫(yī)學(xué)課本。

4.9 IKEA VR Experience，上市日期2016年4月，免費(fèi)

宜家廚房的虛擬樣板間，支持互動，甚至可以炒菜。實時比較櫥柜使用多種不同材質(zhì)的飾面效果，還能以兒童的視角體驗整個廚房。

4.10 Vive Video，上市日期2017年3月，免費(fèi)

Vive Video（虛擬影院），可以在VR頭顯上觀看3D，180?和360?全景視頻。幾乎各大視頻網(wǎng)站都推出了自己的VR版，并積極的籌備自己的VR內(nèi)容。愛奇藝，優(yōu)酷，搜狐，樂視，暴風(fēng)影音等在視頻解碼方面，各有千秋。無人機(jī)廠商大疆（DJI）拍攝了非常多的全景視頻資源，使用Vive體驗這些內(nèi)容，猶如雄鷹在蒼穹翱翔，俯瞰大地，非常震撼。

4.11 Engage，上市日期2016年3月，免費(fèi)

如 圖5所 示，Engage是Immersive VR Education公司開發(fā)的免費(fèi)使用的教育和演示平臺，通過VR技術(shù)分享創(chuàng)意和傳授課程。方便結(jié)合多種途徑進(jìn)行分享，可交互的VR教室同時允許最多30人互動，教師能對學(xué)生進(jìn)行實時指導(dǎo)，可以多種方式記錄課程內(nèi)容。

阿波羅11號VR，牛津大學(xué)的VR遠(yuǎn)程醫(yī)療救助Demo，泰坦尼克號VR等著名的VR獲獎作品都出自此公司之手，顯示出Engage平臺的巨大潛力。

當(dāng)前，VR內(nèi)容的開發(fā)目前較多使用Unity3D和Unreal兩種游戲引擎，眾多創(chuàng)業(yè)者都在積極的嘗試開發(fā)VR內(nèi)容。HTC也希望借助Valve旗下的Steam提供技術(shù)和內(nèi)容支持的同時，將Vive及動作捕捉系統(tǒng)開源，方便更多開發(fā)人員開發(fā)Vive應(yīng)用。打造像蘋果手機(jī)iPhone及蘋果商店AppleStore一樣的產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈。

5 教育應(yīng)用的觀察和思考

2016年，浙江省高考作文是“當(dāng)虛擬世界里的‘虛擬’，越來越成為現(xiàn)實世界里的‘現(xiàn)實’，你是選擇擁抱這個世界，還是可以遠(yuǎn)離他或者保持適當(dāng)?shù)木嚯x？”當(dāng)時很多考生根本還不知道虛擬現(xiàn)實是什么。由此激發(fā)諸多教育從業(yè)者對VR的深入觀察和思考。

傳統(tǒng)教育存在一定的局限性，書本上文字記錄的知識完全依賴學(xué)生的自我理解和想象，多媒體教學(xué)在交互性上難以滿足教與學(xué)的互動需求，教學(xué)的資料內(nèi)容和展現(xiàn)形式相對單一。而VR的沉浸式體驗和交互提供了一種近乎有著無限可能的全新教學(xué)方式。

作為教育領(lǐng)域革命性的新事物，VR迅速成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，國內(nèi)在線教育的競爭已經(jīng)白熱化，VR不僅刺激了線上，還直接進(jìn)入線下。

新生的VR教育創(chuàng)業(yè)公司在開拓市場，傳統(tǒng)的教育公司開發(fā)VR教育內(nèi)容，各大互聯(lián)網(wǎng)公司布局VR教育，諸多傳媒公司涉足VR教育，不斷有高校組建VR實驗室，以AR/VR為特色的早教公司已然成型，VR在專業(yè)人才培訓(xùn)方面的應(yīng)用日趨成熟?？梢哉f，VR已經(jīng)侵入了從早教，學(xué)前教育，小學(xué)初中的義務(wù)教育（K12），高中大學(xué)的科班教育到職業(yè)教育和出國留學(xué)培訓(xùn)的全系統(tǒng)和全流程。

VR在教育領(lǐng)域的應(yīng)用目前主要有兩方面：一方面是數(shù)學(xué)，幾何，物理，化學(xué)，生物，天文，地理等傳統(tǒng)意義上的理科課程，比如生物細(xì)胞的變化、化學(xué)反應(yīng)的過程、天體運(yùn)行的規(guī)律、地質(zhì)運(yùn)動的變遷等，VR能更好的幫助學(xué)生學(xué)習(xí)常規(guī)課堂上人眼無法直接觀察的領(lǐng)域；另一方面是實際動手操作的訓(xùn)練，尤其是操作設(shè)備非常昂貴的行業(yè)，比如汽車專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)發(fā)動機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和維修操作，飛機(jī)駕駛員真正飛上藍(lán)天前的模擬訓(xùn)練，VR教學(xué)和訓(xùn)練都能直接節(jié)省成本。

按照中國應(yīng)試教育的特色，目前很多VR教育都是以體驗沉浸感來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生的愛好作為主打優(yōu)勢，這也就決定了VR對于全日制教育來說，很可能將一直是以課外興趣小組的形式存在下去，然而這并不能充分體現(xiàn)VR相對于傳統(tǒng)教育模式的優(yōu)勢。同時，執(zhí)行全日制教育的主體——學(xué)校作為政府財政預(yù)算行政體系下的單位，在VR教學(xué)中的資金投入非常謹(jǐn)慎。

相對而言，以技能培訓(xùn)為主的職業(yè)教育，在國家大力發(fā)展職業(yè)教育的政策支持下，或許存在更多的可能性。

圖7：Orient and Letv

圖8：VR Medical

圖9：Excavator Training

以國外市場為例，VR技能培訓(xùn)已經(jīng)頗受追捧。例如主打各種企業(yè)課程技能培訓(xùn)的在線學(xué)習(xí)平臺OpenSesame在已經(jīng)拿到1000萬美元的基礎(chǔ)上，最近又完成了900萬美元的融資。教育服務(wù)機(jī)構(gòu)MEL，開發(fā)VR/AR交互式化學(xué)儀器，獲得250萬美元投資。

國內(nèi)最火的技能培訓(xùn)是語言。樂視教育與新東方合作的VR英語教學(xué)課程就在探索VR的教學(xué)效果。使用全景視頻錄制課程，學(xué)員以觀看VR直播的形式享受老師講課，還可以切身感受小班授課的課堂討論氛圍，如圖7所示。

雖然，在線教育的自學(xué)完成率很低，通常第二堂線上課程的點(diǎn)擊率相比于第一堂課直線下降，完成全部自學(xué)課程者更是寥寥無幾，盡管如此，在線教育的形式依然被認(rèn)為是未來重要的教育方式之一。而VR將為職業(yè)教育提供無限遐想的可能，不論是線上還是線下。

筆者認(rèn)為，VR將在以下方面進(jìn)一步滲透并取得階段性成果：

（1）專業(yè)培訓(xùn)：軍事訓(xùn)練，如飛行員訓(xùn)練，無人機(jī)駕駛，跳傘，射擊等；醫(yī)療培訓(xùn)，如外科手術(shù)演練。

如圖8所示。

（2）技能培訓(xùn)：體育競技培訓(xùn)，如沖浪、滑雪等各種極限運(yùn)動；汽車駕駛培訓(xùn)，如考駕照，專業(yè)設(shè)備操作培訓(xùn)，如挖掘機(jī)。

如圖9所示。

（3）安全教育：火災(zāi)、地震等災(zāi)難預(yù)演的逃生演習(xí)。

游戲和教育，一向被業(yè)內(nèi)公認(rèn)為是VR的垂直領(lǐng)域，而教育產(chǎn)業(yè)的規(guī)模無疑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于游戲產(chǎn)業(yè)。以我國在線教育為例，預(yù)計2016年，規(guī)模將逾1400億元，同比增長超過20%，人數(shù)達(dá)到8700萬人。根據(jù)歐洲教育科技組織Edtech Europe《2016教育科技趨勢報告(2016 Edtech Trends)》，目前全球教育開支超過5萬億美元，是軟件產(chǎn)業(yè)的8倍，是媒體娛樂產(chǎn)業(yè)的3倍。全球教育支出預(yù)計以每年8%的速度增長(高于全球GDP年增長的4%)，到2020年達(dá)到8.1萬億美金。

Edtech Europe在報告中指出，按照地域來分，亞太地區(qū)增速最快，年增長率達(dá)到20%，2020年將占據(jù)全球教育科技市場的54%。中國是新型教育技術(shù)的領(lǐng)先者和關(guān)注的焦點(diǎn)，2020年中國家庭的教育費(fèi)用開支將超出現(xiàn)在的6倍。

在教育發(fā)展的浪潮中，VR站在了風(fēng)口，VR將讓學(xué)習(xí)者“學(xué)的更快，記的更牢，干的更好”（Learn faster, remember longer, and decidebetter）。

[1]程聰,劉書香.高職院校虛擬現(xiàn)實核心課程體系的建設(shè)[J].北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2017(04).

[2]2016年科技產(chǎn)業(yè)十大趨勢風(fēng)潮VR虛擬實境排名第一[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2016(02).

[3]黃鑫.基于VR技術(shù)的虛擬教學(xué)應(yīng)用研究[J].江西教育學(xué)院學(xué)報,2008(06):50-52.

[4]張強(qiáng)．?dāng)?shù)字時代下VR技術(shù)帶給藝術(shù)設(shè)計教育的嬗變[J].設(shè)計教育,2017(04):102-103.

[5]余華鴻.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展[J].信息技術(shù),2002(04):181-182.

作者單位北京首鋼工學(xué)院信息工程系 北京市 100144